KR19980018646A - Evaporation system - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 유체 공급액 유동으로부터 증기를 선택적으로 제거하기 위한 멤브레인에 근거한 증발투과 시스템이 제공되는데, 여기서는, 제거되어질 증기의 특정한 부분압을 갖는 역류 스윕 유동이 사용된다.According to the present invention there is provided a membrane based evaporation permeation system for selectively removing steam from a fluid feed stream, in which a countercurrent sweep flow with a particular partial pressure of steam to be removed is used.
Description
증발투과(vapor permeation)는 증기 혼합물을 분리하는데 사용될 수 있는 멤브레인에 근거한 공정이다. 그러한 공정의 일례에서는, 증기 A 및 증기 B의 증기상 혼합물은 멤브레인의 공급측으로 공급되는 한편, 진공펌프 또는 가스상 스윕유동(sweep stream)은, 보통 응축기와 조합하여 상기 멤브레인의 투과액측에 증기 B에 대한 충분히 낮은 부분압을 유지하여, 상기 막에 걸쳐 증기 B에 대한 화학적 포텐셜 기울기를 제공한다. 주로 증기 B 및 약간의 증기 A는 상기 멤브레인의 투과액측으로 이송되어 증기상 투과액을 형성한다.Evaporation permeation is a membrane based process that can be used to separate the vapor mixture. In one example of such a process, a vapor phase mixture of vapor A and vapor B is fed to the supply side of the membrane, while a vacuum pump or gaseous sweep stream is usually combined with a condenser to provide vapor B to the permeate side of the membrane. Maintain a sufficiently low partial pressure for the to provide a chemical potential gradient for vapor B across the membrane. Primarily steam B and some steam A are transferred to the permeate side of the membrane to form a vapor phase permeate.
저비용 및 효과적인 증기투과 공정의 개발에 대한 핵심은, 상기 멤브레임의 투과액층 상에 증기 B의 낮은 부분압을 유지하는데 사용되는 방법이다. 종래기술은, 멤브레인의 투과액측에 진공을 적용하여, 투과액의 전체 압력을 감소시킴으로써, 멤브레인의 투과액측에서의 증기 B의 부분압을 감소시키는 방법에 대해 기술하고 있다. 그러나, 수많은 적용예에 있어서는, 진공 시스템의 비용과 복잡함에 의해 이것이 비현실적인 것으로 밝혀졌다. 더우기, 진공 구동 시스템은 종종 누출되어, 공기가 상기 시스템으로 유입되도록 한다. 수많은 분리과정, 특히 산소에 민감한 화합물 또는 높은 가연성을 갖는 화합물에 대해서는, 산소의 존재는 바람직하지 않거나 위험을 초래한다. 따라서, 여타의 방법이 바람직하다.The key to the development of a low cost and effective vapor permeation process is the method used to maintain the low partial pressure of steam B on the permeate layer of the membrane. The prior art describes a method of reducing the partial pressure of vapor B on the permeate side of the membrane by applying a vacuum to the permeate side of the membrane to reduce the total pressure of the permeate. However, for many applications, the cost and complexity of the vacuum system has found this to be impractical. Moreover, vacuum drive systems often leak, allowing air to enter the system. For many separation processes, especially compounds that are sensitive to oxygen or compounds with high flammability, the presence of oxygen is undesirable or poses a risk. Thus, other methods are preferred.
미합중국 특허 제 4,978,430호에는, 유기화합물을 함유한 액상 용액을 탈수 및 농축시켜, 투과액을 감압하로 유지하거나 부분압을 감소시키기 위해 건조된 불활성 가스(dry inert gas)를 사용할 수 있는 증발투과 공정에 대해 개시되어 있다.U.S. Patent No. 4,978,430 discloses an evaporation permeation process in which a dry inert gas can be used to dehydrate and concentrate a liquid solution containing an organic compound to maintain the permeate at reduced pressure or to reduce partial pressure. Is disclosed.
미합중국 특허 제 5,226,932호에는, 멤브레인의 투과측에 낮은 진공 레벨과 건조된 역류 스윕가스를 사용하는 공기, 질소, 이산화탄소 또는 암모니아와 같은 비응축성 가스를 건조시키기 위한 멤브레인 공정에 대해 개시되어 있다. 또한, 본 출원인과 공유의 미합중국 특허 제 5,108,464호에는, 스윕가스가 중공형 화이버 멤브레인 모듈의 투과측으로 잔류액 말단으로 도입되어, 그것이 멤브레인을 따라 통과할 때 투과액과 혼합된 후, 상기 모듈의 공급단에서 유출하는, 역류 스윕가스를 사용하여 저분자량의 탄화수소 또는 산성가스와 같은 비응축성 가스를 건조시키기 위한 멤브레인 공정에 대해 개시되어 있다.US Patent No. 5,226,932 discloses a membrane process for drying non-condensable gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or ammonia using a low vacuum level and dried countercurrent sweep gas on the permeate side of the membrane. In addition, U. S. Patent No. 5,108, 464, which is shared with the Applicant, indicates that the sweep gas is introduced to the permeate side of the hollow fiber membrane module at the end of the residual liquid, so that it is mixed with the permeate as it passes along the membrane and then fed into the module. A membrane process is disclosed for drying non-condensable gases, such as low molecular weight hydrocarbons or acid gases, using a countercurrent sweep gas exiting a stage.
미합중국 특허 제 5,034,025호에는, 멤브레인에 걸쳐 수증기 부분압 차이를 유지하고, 상기 멤브레임의 저압 및 투과액측을, 바람직하게는 역류 유동 모드에서 물과 섞일 수 없는 건조된 유기상 응축성 스윕가스와 접촉시켜, 투과된 수분을 함유하는 스윕가스를 수집 및 응축시킴으로써, 2상의 유기상-수용액상의 액상 응축액을 형성한 다음, 유기 및 수용액 상을 분리하는 과정을 포함하는, 공기, 이산화수소 또는 천연가스와 같은 수증기가 함유된 비응축성 가스를 건조시키기 위한 멤브레인 공정에 대해 개시되어 있다.U.S. Patent No. 5,034,025 discloses maintaining the difference in the partial pressure of water vapor across the membrane and contacting the low pressure and permeate side of the membrane with a dried organic phase condensable sweep gas, preferably incompatible with water in a countercurrent flow mode, By collecting and condensing the sweep gas containing permeated moisture, water vapor such as air, hydrogen dioxide or natural gas is formed, which includes forming a liquid phase condensate of the two phase organic-aqueous phase and then separating the organic and aqueous phases. A membrane process for drying the contained noncondensable gas is disclosed.
상기한 내용으로부터 명백한 것 같이, 상기 종래기술은 분리 멤브레인의 투과액 측에서 역류 가스상 스윕유동의 이용을 제안한 바 있다. 그러나, 이러한 스윕가스가 어떠한 특성을 가져야 하는지에 대해서는 어떠한 가이드라인도 제시된 바 없다. 투과액측에서의 역류 가스상 스윕유동의 사용이 현실적으로 되기 위해서는, 상기 멤브레인의 투과액 측에서 증기 B의 낮은 농도 또는 낮은 부분압을 가져야만 한다는 것이 밝혀진 바 있다. 더우기, 고성능의 효율적인 저비용의 시스템을 유지하기 위해서는, 낮은 농도의 증기 B를 함유한 가스상 스윕을 생성하는 방법이 주의깊게 선택되어야만 한다.As is evident from the foregoing, the prior art has proposed the use of countercurrent gas phase sweep flow on the permeate side of the separation membrane. However, no guideline has been given as to what characteristics these sweep gases should have. It has been found that in order for the use of countercurrent gaseous sweep flow on the permeate side to be realistic, it must have a low concentration or low partial pressure of vapor B on the permeate side of the membrane. Moreover, in order to maintain a high performance, efficient and low cost system, a method of producing gaseous sweeps containing low concentrations of vapor B must be carefully chosen.
본 발명은 증기의 혼합물을 함유한 공급 유동으로부터 제 1 증기를 선택적으로 제거하기 위한 증발투과 공정을 포함하는데, 상기 공정은,The present invention includes an evaporation permeation process for selectively removing a first vapor from a feed stream containing a mixture of vapors, the process comprising:
(a) 공급액 및 투과액측을 갖는 멤브레인을 제공하는 단계와,(a) providing a membrane having a feed liquid and a permeate side,
(b) 공급액 유동을 상기 멤브레인의 공급액측으로 향하게 하여, 멤브레인의 공급액측으로부터 제 1 증기가 고갈된 잔류액 유동을 회수하고, 상기 멤브레인의 투과액측으로부터 제 1 증기가 풍부한 투과액 유동을 회수하는 단계와,(b) directing the feed liquid flow to the feed liquid side of the membrane to recover the residual liquid flow depleted of the first vapor from the feed liquid side of the membrane and recovering the first vapor-rich permeate flow from the permeate side of the membrane Wow,
(c) 가스상 스윕 유동을 상기 멤브레인의 투과액측으로 향하게 하여, 스윕 유동을 상기 공급액 유동의 흐름에 대해 역류로 흐르게 하는 단계를 포함하되,(c) directing a gaseous sweep flow towards the permeate side of the membrane, causing the sweep flow to flow countercurrent to the feed stream flow;
상기 스윕유동 내부의 제 1 증기의 부분압은 충분히 낮아, 잔류액 유동 내부의 제 1 증기의 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 제 1 증기의 부분압의 비율이 0.9보다 작은 것을 특징으로 한다.The partial pressure of the first steam in the sweep flow is sufficiently low such that the ratio of the partial pressure of the first steam in the sweep flow to the partial pressure of the first steam in the residual liquid flow is less than 0.9.
상기 본 발명과 밀접하게 연관된 일면은, 상기 스윕 유동을 생성하는데 사용되는 방법이다. 본 발명은, 가스상 스윕 유동이 용기에 담긴 정제된 가스 및 액화된 가스의 증발에 의해 생성된 가스로부터 얻어진 가스의 막 분리, 흡착, 응축으로부터 선택된 방법을 포함한다.One aspect closely related to the present invention is the method used to create the sweep flow. The present invention includes a method wherein the gaseous sweep flow is selected from membrane separation, adsorption and condensation of a gas obtained from a gas produced by evaporation of purified gas and liquefied gas contained in a vessel.
본 발명과 밀접하게 연관된 또 다른 일면은, 제 1 증기가 풍부한 투과액 유동에 대해 증기 제거공정을 사용하는 것이다. 상기 증기제거 공정은 응축, 흡착 및 막 분리로부터 선택된다. 또한, 상기 증기제거 공정은, 증발투과 공정으로 다시 재순환되어 상기 단계 (c)에서 스윕 가스로서 도입될 수 있는 고갈된 가스상 유동을 생성하기 위해 사용될 수도 있다.Another aspect closely related to the present invention is the use of a steam removal process for the first vapor-rich permeate flow. The steam removal process is selected from condensation, adsorption and membrane separation. The vapor removal process may also be used to produce a depleted gas phase flow that can be recycled back to the evaporation process and introduced as a sweep gas in step (c).
도 1은 멤브레인을 사용하여 증기 B가 풍부한 투과액 유동 및 증기 B가 고갈된 잔류액 유동을 생성하고, 역류 스윕유동을 사용하여 멤브레인의 투과액측에 증기 B의 낮은 부분압을 유지하기 위한 기본 공정을 나타낸 것이다.1 illustrates a basic process for using a membrane to produce a vapor B-rich permeate flow and a vapor B depleted residual flow and using a countercurrent sweep flow to maintain a low partial pressure of vapor B on the permeate side of the membrane. It is shown.
도 2는 스윕 유동이 맴브레인에 근거한 유니트에 의해 생성되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 2 shows a process similar to that shown in FIG. 1 except that the sweep flow is generated by the unit based on the membrane.
도 3은 스윕 유동이 혼성의 압축/응축 공정에 의해 생성되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 공정과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 3 shows a process similar to the process shown in FIG. 1 except that the sweep flow is created by a hybrid compression / condensation process.
도 4는 스윕 유동이 흡착 공정에 의해 생성되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 공정과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 4 shows a process similar to the process shown in FIG. 1 except that the sweep flow is produced by the adsorption process.
도 5는 스윕 유동이 용기에 담긴 정제된 가스로부터 얻어진 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 공정과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 5 shows a process similar to that shown in FIG. 1 except that the sweep flow is obtained from the purified gas contained in the vessel.
도 6은 스윕 유동이 액화된 가스의 증발에 의해 생성된 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 6 shows a process similar to that shown in FIG. 1, except that the sweep flow is generated by evaporation of the liquefied gas.
도 7은, 증기 B가 풍부한 투과액 유동을 제 2 멤브레인에 근거한 공정으로 향하게 하여, 스윕 유동으로서 사용되는 증기 B가 고갈된 잔류액 유동을 생성함으로써, 스윕 유동을 위해 사용된 가스를 재순환시켜 스윕 유동이 생성된 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것으로, 상기 제 2 멤브레인으로부터의 어떠한 가스 손실을 상쇄하기 위하여 보충 가스 유동이 사용된다.FIG. 7 recycles the gas used for the sweep flow by sweeping the gas used for the sweep flow by directing the vapor B-rich permeate flow to a process based on the second membrane, creating a residual liquid flow depleted of steam B used as the sweep flow. A process similar to that shown in FIG. 1 is shown except that a flow is generated, and a supplemental gas flow is used to offset any gas loss from the second membrane.
도 8은, 증기 B가 풍부한 투과액 유동을 압축/응축 공정으로 향하게 하여, 스윕 유동으로서 사용되는 증기 B가 고갈된 비응축성의 유동을 생성함으로써, 스윕 유동을 위해 사용된 가스를 재순환시켜 스윕 유동이 생성되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 8 shows a sweep flow by recycling the gas used for the sweep flow by directing the vapor B-rich permeate flow to a compression / condensation process, creating a non-condensable flow depleted of steam B used as the sweep flow. Except for this, a process similar to that shown in FIG. 1 is shown.
도 9는, 증기 B가 풍부한 투과액 유동을 흡착 공정으로 향하게 하여, 스윕 유동으로서 사용된 증기 B가 고갈된 유동을 생성함으로써, 스윕 유동을 이해 사용되는 가스를 재순환시켜, 스윕 유동이 생성되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 9 shows that a sweep flow is generated by directing a vapor B-rich permeate flow into the adsorption process to produce a flow depleted of steam B used as a sweep flow, thereby recycling the gas used to understand the sweep flow. Except that, a process similar to that shown in FIG. 1 is shown.
도 10은, 스윕 유동은 가스이고 효율을 증진시키기 위해 진공 펌프가 증기 B가 풍부한 투과액 유동에서 사용된 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 나타낸 것이다.FIG. 10 shows a process similar to that shown in FIG. 1, except that the sweep flow is a gas and a vacuum pump is used in the vapor B-rich permeate flow to enhance efficiency.
도 1∼도 10은 본 발명의 다양한 실시예를 나타낸 개략도이다.1 to 10 are schematic diagrams illustrating various embodiments of the present invention.
본 발명을 위해, 다음과 같은 용어의 정의가 사용된다.For the purposes of the present invention, the following definitions of terms are used.
증기: 임계점 이하에서 가스상을 갖고 -100℃보다 큰 끓는점을 갖는 유체.Vapor: A fluid with a gas phase below the critical point and a boiling point greater than -100 ° C.
스윕: 가스상 유체, 즉 공정의 작동 조건에서는 액체가 아니고, 그것이 증기 B의 낮은 농도 또는 부분압을 가지는 한 증기일 수 있는 증기상 유체.Sweep: A gaseous fluid, i.e. a vapor phase fluid that is not a liquid at the operating conditions of the process and can be steam as long as it has a low concentration or partial pressure of vapor B.
증기 B가 풍부한 투과액: 투과액 유동에서의 증기 B의 부분압 및 증기 A의 부분압의 합계로 나눈 투과액 유동 내부의 증기 B의 부분압은 공급액 유동 내부의 동일한 비율보다 크다. 투과액은 또한 가스상의 스윕유동을 포함하기 때문에, 이러한 용어는 반드시 투과액에서의 증기 B의 부분압이 공급액에서의 증기 B의 부분압보다 크다는 것을 의미하지는 않는다.Permeate enriched with steam B: The partial pressure of steam B inside the permeate flow divided by the sum of the partial pressure of steam B and the partial pressure of steam A in the permeate flow is greater than the same ratio inside the feed stream. Since the permeate also includes a gaseous sweep flow, this term does not necessarily mean that the partial pressure of steam B in the permeate is greater than the partial pressure of steam B in the feed liquid.
예시적 목적을 위하여, 공급액 유동은 2가지 증기, 즉 증기 A 및 증기 B를 함유하는 것으로 가정한다. 더우기, 멤브레인은 증기 A에 대해서보다 증기 B에 대해서 더 투과성을 갖는다고 가정한다.For illustrative purposes, it is assumed that the feed liquid flow contains two vapors, steam A and steam B. Moreover, it is assumed that the membrane is more permeable to steam B than to steam A.
증기의 제거에 있어서 역류 스윕 유동의 사용이 효과적으로 되기 위해서는, 잔류액에서의 보다 투과성의 증기 성분의 부분압에 대한 스윕에서의 보다 투과성을 지닌 증기의 부분압의 비율이 0.9보다 작고, 바람직하게는 0.5보다 작아야만 한다는 것이 밝혀졌다. 만일, 이러한 부분압이 0.9보다 크면, 멤브레인의 공급액 측으로부터 투과액/스윕 유동으로의 증기의 이송에 대한 구동력이 용인할 수 없을 정도로 낮아지고, 이것은 한편으로 낮은 공급액 유동속도를 생기게 하여 잔류액 유동에 대한 일정한 레벨의 순도를 달성할 수 없게 한다. 그러나, 투과액의 부분압 비율이 0.9보다 작으면, 구동력이 충분히 높아 받아들일 수 있는 정도의 높은 잔류액 순도를 얻는데 적당한 공급액 유동 속도가 사용될 수 있도록 하여, 효과적이면서도 저비용의 시스템을 제공하도록 한다.In order for the use of the countercurrent sweep flow to be effective in the removal of the steam, the ratio of the partial pressure of the more permeable steam in the sweep to the partial pressure of the more permeable vapor component in the residual liquid is less than 0.9, preferably more than 0.5. It turned out to be small. If this partial pressure is greater than 0.9, the driving force for the transfer of steam from the feed side of the membrane to the permeate / sweep flow is unacceptably low, which, on the one hand, results in a low feed flow rate, which leads to residual liquid flow. To achieve a certain level of purity. However, if the partial pressure ratio of the permeate is less than 0.9, the driving force is high enough that a suitable feed liquid flow rate can be used to obtain an acceptable, high residual liquid purity, thereby providing an effective and low cost system.
상기 공급액의 온도는 특정한 분위기에서 그것의 응축온도보다 커야 하며, 한편으로는 대기 온도보다 커야 하고, 가장 바람직하게는 40℃보다 높아야 하는 한편, 전체 공급액의 압력은 대기압보다 커야 하고, 바람직하게는 10atm보다 작아야 한다.The temperature of the feed liquid must be greater than its condensation temperature in a particular atmosphere, on the one hand greater than the ambient temperature, most preferably higher than 40 ° C., while the pressure of the total feed liquid must be greater than atmospheric pressure, preferably 10 atm Should be smaller than
본 발명의 증발투과 공정에 의해 달성될 수 있는 분리과정은 가장 바람직하게는 유기 증기로부터의 수증기의 제거이지만, 수분으로부터의 휘발성 화합물의 제거 또는 유기 및 무기 증기 화합물의 분리에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 사용되는 멤브레인은 상기 공급액 유동의 미량 성분이 멤브레인에 의해 선택적으로 제거되도록 선정되지만, 본 발명은 이것에 한정될 필요는 없다.The separation process that can be achieved by the evaporation process of the present invention is most preferably the removal of water vapor from organic vapor, but can also be applied to the removal of volatile compounds from water or separation of organic and inorganic vapor compounds. In general, the membrane used is selected such that trace components of the feed fluid flow are selectively removed by the membrane, but the invention need not be limited thereto.
스윕 입구 포트에서의 스윕 유동의 용량적 유동은 희망하는 효율을 제공하도록 조정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 스윕 유동의 용량적 유동은, 상기 모듈의 잔류액 말단에 있는 멤브레인의 투과액측 상에서의 보다 투과성을 갖는 성분의 부분압을 상기 모듈의 잔류액 말단에 있는 멤브레인의 공급액측에서의 수치의 약 90% 또는 그 이하로 낮게 감소시키기에 충분하다. 따라서, 사용된 스윕의 양은 작동 조건 및 잔류액 유동 내부의 더욱 투과성을 지닌 성분의 희망하는 농도에 의존한다. 일반적으로, 스윕 유동의 용량적 유동은 혼합된 투과액측 혼합물의 용량적 유동의 적어도 0.5%이어야 한다. 잔류액 유동에서의 희망하는 농도가 매우 낮고 멤브레인의 선택성이 높은 경우에는, 상기 스윕 유동의 용량적 유동은 혼합된 투과액측 혼합물의 용량 유동의 99% 또는 그 이상이 될 수 있다.The capacitive flow of the sweep flow at the sweep inlet port can be adjusted to provide the desired efficiency. Preferably, the capacitive flow of the sweep flow is such that the partial pressure of the more permeable component on the permeate side of the membrane at the residual liquid end of the module is about the value of the value at the feed side of the membrane at the residual liquid end of the module. Sufficient to reduce as low as 90% or less. Thus, the amount of sweep used depends on the operating conditions and the desired concentration of more permeable components inside the residual liquid flow. In general, the volumetric flow of the sweep flow should be at least 0.5% of the volumetric flow of the mixed permeate side mixture. If the desired concentration in the residual liquid flow is very low and the membrane selectivity is high, the capacitive flow of the sweep flow may be 99% or more of the volumetric flow of the mixed permeate side mixture.
사용되는 스윕 유동은 공급액 유동으로부터 제거되어질 저 농도의 증기를 함유한 임의의 가스 또는 응축성 증기일 수 있다. 예를 들어, 가연성 용제를 덮기 위해 불활성 가스인 질소가 사용되는 응용분야에 있어서는, 질소 가스가 스윕 유동으로서 사용될 수 있다. 스윕 유동으로서 사용될 수 있는 유체의 또 다른 예는, 불활성 가스인 아르곤 및 헬륨, 수소, 공기, 증기, 이산화탄소 및 일산화 탄소이다.The sweep flow used may be any gas or condensable vapor containing a low concentration of vapor to be removed from the feed liquid flow. For example, in applications where inert gas nitrogen is used to cover flammable solvents, nitrogen gas may be used as the sweep flow. Another example of a fluid that can be used as a sweep flow is the inert gases argon and helium, hydrogen, air, steam, carbon dioxide and carbon monoxide.
상기 증발투과 공정을 위해 선택된 멤브레인에 대한 공급액 유동을 포함하는 증기상 혼합물은, 산업공정의 배출(vent) 유동, 증류공정으로부터의 증기상 상층액(overhead), 환류과정에서의 상층액, 산업공정으로부터의 증기화된 액체, 증기화된 산업공정의 배출 유동, 화학공정의 액체, 정밀화학 생성물, 제약 생성물, 천연물로부터의 향료 및 방향제의 제거 또는 정제와, 발효 공정을 포함하는 다양한 발생원으로부터 유도될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The vapor phase mixture comprising the feed liquid flow to the membrane selected for the evaporation process comprises a vent flow of the industrial process, a vapor phase overhead from the distillation process, a supernatant in the reflux process, an industrial process Removal or purification of vaporized liquid from, evaporated industrial process flow, chemical process liquids, fine chemicals, pharmaceutical products, flavors and fragrances from natural products, and from various sources, including fermentation processes. It may be, but is not limited thereto.
상기 증기상 공급액 혼합물을 함유하는 증기는 실제로 증기상으로 존재할 수 있는 충분한 휘발성을 갖는 임의의 화합물일 수 있다. 일반적으로, 이들은 1 기압에서 약 200℃보다 낮은, 바람직하게는 상온보다 크지만 180℃보다 낮은, 가장 바람직하게는 40℃보다 크지만 150℃보다 낮은 끓는점을 갖는 화합물을 포함한다. 본 발명의 공정에 의해 증기상 공급액 혼합물로부터 제거될 수 있는 화합물의 예로는, 수분, 프레온 또는 할론(Halon)과 같은 염화불화탄소; 염화 메틸렌, 트리클로로에틸렌, 트리클로로에탄, 사염화 탄소 및 염화벤젠과 같은 염소화 탄화수소; 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸 벤젠, 시클로헥산, 헥산 및 옥탄과 같은 비염소화 소수성 유기물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 기타 알코올; 아세톤, 에틸 아세테이트, 메틸 에틸 케톤, 메틸 t-부틸 케톤 및 기타 케톤; 니트로벤젠; 페놀 및 크레졸; 포름산, 아세트산 및 기타 유기산; 트리에틸아민 및 피리딘을 포함하는 아민, 아세토니트릴; 디메틸 포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 N-메틸피롤리디논과 같은 비염소환된 친수성 유기물과; 암모니아, 브롬, 요오드, 이산화황 및 염화 티오닐(thionyl chloride)과 같은 휘발성 무기 화합물을 포함하지만, 이것에 한정되지는 않는다.The vapor containing the vapor phase feed mixture may actually be any compound having sufficient volatility to be present in the vapor phase. In general, these include compounds having a boiling point below about 200 ° C., preferably above room temperature but below 180 ° C., most preferably above 40 ° C. but below 150 ° C. at 1 atmosphere. Examples of compounds that can be removed from the vapor phase feed mixture by the process of the present invention include, but are not limited to, fluorocarbons such as moisture, freon or halon; Chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride, trichloroethylene, trichloroethane, carbon tetrachloride and benzene chloride; Non-chlorinated hydrophobic organics such as benzene, toluene, xylene, ethyl benzene, cyclohexane, hexane and octane; Methanol, ethanol, isopropyl alcohol and other alcohols; Acetone, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, methyl t-butyl ketone and other ketones; Nitrobenzene; Phenols and cresols; Formic acid, acetic acid and other organic acids; Amines, acetonitriles, including triethylamine and pyridine; Non-chlorinated hydrophilic organics such as dimethyl formamide, dimethylacetamide and N-methylpyrrolidinone; Volatile inorganic compounds such as, but not limited to, ammonia, bromine, iodine, sulfur dioxide and thionyl chloride.
본 발명에서 사용하는데 적절한 멤브레인의 형태는, 그들의 선택적인 투과적 속성을 위해 사용되는 분리막으로서 광범위하게 기술될 수 있으며, 특히, 공급액 유동 내부의 다른 증기에 대해 하나의 증기에 대해 상대적으로 투과성을 지니며, 제거되도록 희망하는 증기와 어떠한 화학 반응 또는 변환에 기여하거나 일으키지 않는다는 의미에서 관심이 되는 증기와 반응성이 없는 분리막으로서 기술될 수 있다. 상기 멤브레인은 투과선택적인(permselective) 재질로 전부 또는 다공성 멤브레인, 직물 또는 스크린 상에 지지될 수 있는 투과선택적인 재질로 제조될 수 있다. 이와 같은 분리과정에 유용한 투과선택적인 재질의 예로는, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 물질, 키틴 및 그것의 유도체; 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리아민, 폴리(아크릴산), 폴리(아크릴레이트), 폴리(비닐 아세테이트) 및 폴레에테르를 포함하는 친수성 물질; 천연 고무, 니트릴 고무, 폴리스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리(부타디엔아크릴로니트릴) 고무; 폴리우레탄; 폴리아미드; 폴리아세틸렌; 폴리(트리메틸실릴프로핀); 불소 고무(fluoroelastomer); 폴리(염화비닐); 폴리(포스파진)[poly(phosphazene)], 특히 유기 치환체를 갖는 것; 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)과 같은 할로겐화 폴리머와; 실리콘 고무를 포함하는 폴리실록산(polysiloxane)과 같은 소수성 물질을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이온교환 멤브레인 또한 몇몇 응용분야를 위해 사용될 수 있다. 이들 물질의 블렌드(blend), 공중합체 및 가교된 변형물 또한 유용하다. 공급액 유동의 성분에 의한 팽화 또는 분해에 대해 충분한 저항성을 제공하기 위해 대부분의 경우에 있어서 폴리머의 가교가 바람직한다.The types of membranes suitable for use in the present invention may be described broadly as separators used for their selective permeable properties, in particular being relatively permeable to one vapor relative to other vapors within the feed fluid flow. And may be described as a separator that is not reactive with the vapor of interest in the sense that it does not contribute or cause any chemical reaction or conversion with the vapor desired to be removed. The membrane can be made entirely of permselective material or from a permselective material that can be supported on a porous membrane, fabric or screen. Examples of permeable materials useful for such separation processes include polyvinyl alcohol, cellulosic materials, chitin and derivatives thereof; Hydrophilic materials including polyurethanes, polyamides, polyamines, poly (acrylic acid), poly (acrylates), poly (vinyl acetate) and polyethers; Natural rubber, nitrile rubber, polystyrene-butadiene copolymer, poly (butadieneacrylonitrile) rubber; Polyurethane; Polyamides; Polyacetylene; Poly (trimethylsilylpropine); Fluoroelastomers; Poly (vinyl chloride); Poly (phosphazene), especially those having organic substituents; Halogenated polymers such as poly (vinylidene fluoride) and poly (tetrafluoroethylene); Hydrophobic materials such as polysiloxane including silicone rubber, but are not limited thereto. Ion exchange membranes may also be used for some applications. Blends, copolymers and crosslinked variants of these materials are also useful. In most cases crosslinking of the polymer is preferred to provide sufficient resistance to swelling or degradation by components of the feed flow.
상기 멤브레인은 등방성을 지니거나 비대칭성을 지닐 수 있다. 더우기, 상기 멤브레인은 균일하거나 다층의 복합체(composite)일 수 있다. 대부분의 경우에 있어서, 공급액 유동의 성분에 의한 팽화 또는 분해에 대해 충분한 저항성을 제공하기 위해 상기 멤브레인 물질은 가교되는 것이 바람직하다. 상기 멤브레인은 용매 상전이 공정(solvent phase-inversion process), 열적으로 유도된 상전이 공정, 용융압출 공정 또는 습식 또는 건식 용매주조 공정에 의해 제조될 수 있다. 다중 복합체의 경우에는, 상기 선택 층은 침적코팅, 페인팅, 분사 코팅, 용액 코팅 또는 계면 중합에 의해 형성될 수 있다.The membrane can be isotropic or asymmetric. Moreover, the membrane can be a homogeneous or multilayered composite. In most cases, the membrane material is preferably crosslinked to provide sufficient resistance to swelling or degradation by components of the feed flow. The membrane may be prepared by a solvent phase-inversion process, a thermally induced phase transition process, a melt extrusion process or a wet or dry solvent casting process. In the case of multiple composites, the optional layer can be formed by dip coating, painting, spray coating, solution coating or interfacial polymerization.
다층 복합체에 있어서는, (선택투과층에 반해) 상기 복합체에 기계적 강도를 제공하는 지지층은 기술적으로 가능한 것 같이 상기 선택층을 통한 투과종의 이송에 대해 가능한한 작은 저항을 제공하여야 한다. 더우기, 상기 지지층은 화학적 및 열적으로 저항을 지녀, 다양한 화학 성분을 함유한 뜨거운 공급액 유동에서 작동할 수 있어야 한다. 상기 지지체 멤브레인에 적합한 재질은, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(비닐리덴플루오라이드), 폴리(에테르이미드), 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리(에테르술폰), 폴리(아릴술폰), 폴리(페닐귀노잘린)[(poly(phenylquinoxaline)], 폴리벤즈이미다졸과, 이들 물질의 공중합체 및 블렌드와 같은 유기 폴리머와, 다공성 글래스, 탄소, 세라믹 및 금속과 같은 무기물질을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.For multilayer composites, the support layer that provides mechanical strength to the composite (as opposed to the selective permeable layer) should provide as little resistance as possible to the transfer of permeate species through the selective layer as is technically possible. Moreover, the support layer must be chemically and thermally resistant to operate in a hot feed flow containing various chemical components. Suitable materials for the support membrane include polypropylene, polyacrylonitrile, poly (vinylidene fluoride), poly (etherimide), polyimide, polysulfone, poly (ethersulfone), poly (arylsulfone), poly ( Phenylguinozaline) [(poly (phenylquinoxaline)], polybenzimidazole, and organic polymers such as copolymers and blends of these materials, and inorganic materials such as porous glass, carbon, ceramics and metals Does not.
상기 멤브레인은 평판 시이트 또는 중공형 화이버 또는 튜브 형태로 사용될 수 있다. 평판 시이트 멤브레인에 대해서는, 상기 멤브레인은 공급액 유동에 대해 투과액 유동의 역류 흐름을 허용하도록 설계된 플레이트-프레임 모듈(plate-and-frame module) 내부에 배치된다. 나선상으로 감긴 모듈은 그들이 역류 유동을 허용하지 않기 때문에 적절하지 않다. 중공형 화이버 또는 튜브에 대해서는, 상기 공급액 유동은 화이버의 외측(쉘 측) 또는 내측(튜브 측)에 위치할 수 있다. 특히, 튜브측 공급액 중공형 화이버 멤브레인 모듈인 것이 바람직하다. 상기 멤브레인 모듈에서 사용되는 재질은 장기간의 작동을 허용하기 위해 충분한 화학적 및 열적 저항성을 가져야 한다.The membrane can be used in the form of a flat sheet or hollow fiber or tube. For flat sheet membranes, the membrane is disposed inside a plate-and-frame module designed to allow countercurrent flow of permeate flow to feed liquid flow. Spirally wound modules are not suitable because they do not allow countercurrent flow. For hollow fibers or tubes, the feed liquid flow may be located outside (shell side) or inside (tube side) of the fiber. In particular, it is preferable that it is a tube side feed liquid hollow fiber membrane module. The material used in the membrane module must have sufficient chemical and thermal resistance to allow long term operation.
[실시예 1]Example 1
도 2에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.1바아(게이지압)의 압력 및 95℃의 온도에서 이소프로필 알코올(IPA)에 용해된 4.8wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 2.8㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 7.8kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 폴리비닐 알코올과 블렌드된 친수성의 가교 폴리아미드의 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 2, a vapor phase containing 4.8 wt% of water dissolved in isopropyl alcohol (IPA) at a pressure of 0.1 bar (gauge pressure) and a temperature of 95 ° C. The feed solution was fed at a rate of 7.8 kg / hr into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of 2.8 m 2. The inner surface of the hollow fiber was coated with a selective layer of hydrophilic crosslinked polyamide blended with polyvinyl alcohol.
95℃의 온도를 갖고 6.9바아(게이지압)에서 -29℃의 이슬점을 갖는 건조 공기를 함유한 스윕 유동을, 6.9바아(게이지압)의 압축 공기를 오레곤, 벤드(Bend, Oregon)의 아쿠아에어사(AquaAir, Inc.)에서 제조된 공기 탈수 모듈(air dehydration module: ADU)을 통과시켜 생성하였다. 이 스윕 유동의 압력을 스로틀 밸브를 사용하여 대기압으로 줄이고, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 상기 공급액의 흐름에 대해 실질적으로 역류로 280 L(STP)/min의 속도로 흐르도록 하였다.Sweep flow containing dry air with a temperature of 95 ° C. and a dew point of -29 ° C. at 6.9 bar (gauge pressure), and compressed air of 6.9 bar (gauge pressure) to Aqua, Oregon, Bend, Oregon. It was produced by passing through an air dehydration module (ADU) manufactured by AquaAir, Inc. The pressure of this sweep flow is reduced to atmospheric pressure using a throttle valve and introduced to the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, 280 L (STP) at substantially counter flow to the feed flow. It was made to flow at a rate of / min.
상기한 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.00338바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.0005바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.015이었다. 이것은 0.1wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 97.9%의 수분 제거율에 해당한다.Under the above operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00338 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a water partial pressure of 0.0005 bar (absolute pressure), so that the inside of the sweep flow to the water partial pressure inside the residual liquid flow The proportion of water partial pressure of was 0.015. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.1 wt%, corresponding to a water removal rate of 97.9%.
[실시예 2]Example 2
도 5에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.05바아(게이지압)의 압력 및 90℃의 온도에서 IPA에 용해된 5.9wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 2.8㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 4.4kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 상기 실시예 1의 가교된 친수성 폴리머의 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 5, a 2.8 m 2 vapor phase feed solution containing 5.9 wt% of water dissolved in IPA at a pressure of 0.05 bar (gauge pressure) and a temperature of 90 ° C. was obtained. The hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of was fed into the tube at a rate of 4.4 kg / hr. The inner surface of the hollow fiber was coated with a selective layer of crosslinked hydrophilic polymer of Example 1.
기본적으로 대기압 및 90℃에서 가스 실린더로부터 질소를 함유한 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 상기 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 136 L(STP)/min로 흐르도록 하였다.Basically, a nitrogen-containing sweep flow from the gas cylinder at atmospheric pressure and 90 ° C. is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, so that it is substantially countercurrent to the flow of the feed liquid at 136 L. (STP) / min.
이들 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.00048바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.032이었다. 이것은 0.01wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 99.8%의 수분 제거율에 해당한다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00048 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the residual liquid flow has a partial pressure inside the sweep flow relative to the partial pressure of water inside the residual liquid flow. The proportion of water partial pressure was 0.032. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.01 wt%, corresponding to a water removal rate of 99.8%.
[실시예 3]Example 3
도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.3바아(게이지압)의 압력 및 91℃의 온도에서 IPA에 용해된 7.6wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 2.8㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 8.5kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 상기 실시예 1의 가교된 친수성 폴리머의 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 10, a vapor phase feed solution containing 7.6 wt% of water dissolved in IPA at a pressure of 0.3 bar (gauge pressure) and a temperature of 91 ° C. was 2.8 m 2. It was fed at a rate of 8.5 kg / hr into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of. The inner surface of the hollow fiber was coated with a selective layer of crosslinked hydrophilic polymer of Example 1.
91℃의 온도 및 0.3바아(절대압)의 압력을 갖고 6.9바아(게이지압)에서 -30℃의 이슬점을 갖는 건조 공기를 함유한 스윕 유동을, 6.9바아(게이지압)의 압축 공기를 상기 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 ADU 모듈을 통과시켜 생성하였다. 이 모듈에 의해 생성된 건조 공기의 스윕 유동을 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 상기 공급액의 흐름에 대해 실질적으로 역류로 127 L(STP)/min의 속도로 흐르도록 하였다. 상기 투과액 유동의 압력을 0.3바아(절대압)로 감소시키기 위해 진공 펌프를 사용하였다.A sweep flow containing dry air having a temperature of 91 ° C. and a pressure of 0.3 bar (absolute pressure) and a dew point of -30 ° C. at 6.9 bar (gauge pressure) was used, and compressed air at 6.9 bar (gauge pressure) was used. Created by passing the same ADU module as used in 1. The sweep flow of dry air produced by this module is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the residual liquid end of the module, so that the flow of 127 L (STP) / min is substantially countercurrent to the feed flow. It was allowed to flow at a speed. A vacuum pump was used to reduce the pressure of the permeate flow to 0.3 bar (absolute pressure).
이러한 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.00203바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00005바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.024이었다. 이것은 0.1wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 99.2%의 수분 제거율에 해당한다.Under these conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00203 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00005 bar (absolute pressure), so that the moisture inside the sweep flow to the moisture partial pressure inside the residual fluid flow. The ratio of partial pressure was 0.024. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.1 wt%, corresponding to a water removal rate of 99.2%.
[실시예 4]Example 4
다음을 제외하고는, 실시예 3을 반복적으로 수행하였다: 0.1바아(게이지)의 압력에서 9.4wt% 의 수분을 함유하는 증기상 공급액을 상기 중공형 화이버 멤브레인 모듈에 6.0kg/hr의 속도로 공급하였으며, 스윕 유동은 91℃ 및 0.3바아(절대압)에서 57 L(STP)/min로 흐르는 질소이었다.Example 3 was repeatedly performed except for the following: A vapor phase feed containing 9.4 wt% of water at a pressure of 0.1 bar (gauge) was fed to the hollow fiber membrane module at a rate of 6.0 kg / hr. The sweep flow was nitrogen flowing at 57 L (STP) / min at 91 ° C. and 0.3 bar (absolute pressure).
이들 조건 하에서, 잔류액 유동은 0.00008바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.2이었다. 이것은 0.002wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 99.9%의 수분 제거율에 해당한다.Under these conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00008 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the water partial pressure inside the sweep flow relative to the moisture partial pressure inside the residual liquid flow. The ratio of was 0.2. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.002 wt%, corresponding to a water removal rate of 99.9%.
[실시예 5]Example 5
도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.3바아(게이지압)의 압력 및 95℃의 온도에서 에틸 아세테이트에 용해된 3.3wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 232㎠의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 0.14kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 상기 실시예 1에서와 같은 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 10, a vapor phase feed solution containing 3.3 wt% of water dissolved in ethyl acetate at a pressure of 0.3 bar (gauge pressure) and a temperature of 95 ° C. was used. Feeding was carried out at a rate of 0.14 kg / hr into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of cm 2. The inner surface of the hollow fiber was coated with the same selective layer as in Example 1.
95℃ 및 0.3바아(절대압)에서 가스 실린더로부터 질소를 함유한 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 상기 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 0.6 L(STP)/min로 흐르도록 하였다. 상기 투과액 유동의 압력을 0.3바아(절대압)로 감소시키기 위해 진공 펌프를 사용하였다.A nitrogen-containing sweep flow from the gas cylinder at 95 ° C. and 0.3 bar (absolute pressure) is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, thereby substantially countercurrent to the flow of the feed liquid. Flow was at 0.6 L (STP) / min. A vacuum pump was used to reduce the pressure of the permeate flow to 0.3 bar (absolute pressure).
이러한 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.01524바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.001이었다. 이것은 0.1wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 89.9%의 수분 제거율에 해당한다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.01524 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the residual liquid flow has a partial pressure inside the sweep flow relative to the moisture partial pressure inside the residual liquid flow. The proportion of water partial pressure was 0.001. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.1 wt%, corresponding to a water removal rate of 89.9%.
[실시예 6]Example 6
도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.2바아(게이지압)의 압력 및 91℃의 온도에서 에탄올에 용해된 12.2wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 232㎠의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 0.07kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 상기 실시예 1에서와 같은 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 10, a 232 cm 2 vapor phase feed solution containing 12.2 wt% of water dissolved in ethanol at a pressure of 0.2 bar (gauge pressure) and a temperature of 91 ° C. was obtained. The feed rate of 0.07 kg / hr was fed into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of. The inner surface of the hollow fiber was coated with the same selective layer as in Example 1.
91℃ 및 0.3바아(절대압)에서 가스 실린더로부터 질소를 함유한 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 상기 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 0.6 L(STP)/min로 흐르도록 하였다. 상기 투과액 유동의 압력을 0.3바아(절대압)로 감소시키기 위해 진공 펌프를 사용하였다.A nitrogen-containing sweep flow from the gas cylinder at 91 ° C. and 0.3 bar (absolute pressure) is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, thereby substantially countercurrent to the flow of the feed liquid. Flow was at 0.6 L (STP) / min. A vacuum pump was used to reduce the pressure of the permeate flow to 0.3 bar (absolute pressure).
상기한 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.00460바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.003이었다. 이것은 0.2wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 98.7%의 수분 제거율에 해당한다.Under the above operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00460 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the inside of the sweep flow to the water partial pressure inside the residual liquid flow The proportion of water partial pressure of was 0.003. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.2 wt%, corresponding to a water removal rate of 98.7%.
[실시예 7]Example 7
도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 시스템을 사용하여, 0.1바아(게이지압)의 압력 및 80℃의 온도에서 테트라히드로푸란에 용해된 7.5wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 1.4㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 1.8kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 중공형 화이버의 내면은 상기 실시예 1에서와 같은 선택층으로 코팅하였다.Using a system having a structure substantially the same as that shown in FIG. 10, a vapor phase feed solution containing 7.5 wt% of water dissolved in tetrahydrofuran at a pressure of 0.1 bar (gauge pressure) and a temperature of 80 ° C. was used. The feed rate was 1.8 kg / hr into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of 1.4 m 2. The inner surface of the hollow fiber was coated with the same selective layer as in Example 1.
80℃ 및 0.3바아(절대압)에서 가스 실린더로부터 질소를 함유한 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 상기 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 85 L(STP)/min로 흐르도록 하였다. 상기 투과액 유동의 압력을 0.3바아(절대압)로 감소시키기 위해 진공 펌프를 사용하였다.A nitrogen-containing sweep flow from the gas cylinder at 80 ° C. and 0.3 bar (absolute pressure) is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, thereby substantially countercurrent to the flow of the feed liquid. Flow was at 85 L (STP) / min. A vacuum pump was used to reduce the pressure of the permeate flow to 0.3 bar (absolute pressure).
상기한 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.00686바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.002이었다. 이것은 0.01wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 99.9%의 수분 제거율에 해당한다.Under the above operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00686 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the residual liquid flow has a partial pressure of water inside the residual flow. The proportion of water partial pressure of was 0.002. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.01 wt%, corresponding to a water removal rate of 99.9%.
[실시예 8]Example 8
다음을 제외하고는, 실시예 3을 반복적으로 수행하였다: 0.1바아(게이지)의 압력에서 12.7wt% 의 수분을 함유하는 증기상 공급액을 사용하고, 스윕 유동은 95℃ 및 0.3바아(절대압)에서 57 L(STP)/min로 흐르는 가스 실린더로부터의 질소이었다.Example 3 was performed repeatedly except for the following: A vapor phase feed containing 12.7 wt% of moisture at a pressure of 0.1 bar (gauge) was used and the sweep flow was at 95 ° C. and 0.3 bar (absolute pressure). Nitrogen from gas cylinder flowing at 57 L (STP) / min.
이러한 작동 조건 하에서, 잔류액 유동은 0.00047바아(절대압)의 수분 부분압을 갖는 한편, 스윕 유동 입구는 0.00002바아(절대압)의 수분 부분압을 가져, 잔류액 유동 내부의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율은 0.032이었다. 이것은 0.014wt%의 잔류액 유동 수분 농도를 형성하였는데, 이는 99.9%의 수분 제거율에 해당한다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a water partial pressure of 0.00047 bar (absolute pressure), while the sweep flow inlet has a moisture partial pressure of 0.00002 bar (absolute pressure), so that the moisture inside the sweep flow to the moisture partial pressure inside the residual liquid flow. The proportion of partial pressure was 0.032. This resulted in a residual liquid flow moisture concentration of 0.014 wt%, corresponding to a water removal rate of 99.9%.
[비교예 1]Comparative Example 1
비교를 위해, 상기 실시예 8에서 설명된 시스템과 모듈을 역류 투과액 유동으로 동일한 작동 조건 하에서, 그러나 어떠한 질소도 상기 멤브레인 모듈에 스윕 가스로서 도입되지 않도록 질소의 스윕 유동을 제로로 설정하여 가동하였다. 이들 조건 하에서, 잔류액 유동은 5.2wt%의 수분 농도를 가져, 60%에 지나지 않은 수분 제거율에 해당하였다.For comparison, the system and module described in Example 8 were operated under countercurrent permeate flow under the same operating conditions but with the sweep flow of nitrogen set to zero so that no nitrogen was introduced as the sweep gas into the membrane module. . Under these conditions, the residual liquid flow had a water concentration of 5.2 wt%, corresponding to only 60% water removal rate.
[실시예 9]Example 9
다양한 파라미터를 이용하여 시스템의 성능을 예측하기 위해, 도 8에 도시된 컴퓨터화된 수치 모델의 시스템을 준비하여 사용하였다. 0.1바아(게이지압)의 압력 및 95℃의 온도에서 IPA에 용해된 18wt%의 수분을 함유한 증기상 공급액 용액을 2.8㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 8.9kg/hr의 속도로 공급하였으며, 상기 중공형 화이버의 내면은 전술한 실시예에서 사용된 것과 동일한 형태의 선택층으로 코팅하였다.In order to predict the performance of the system using various parameters, the system of the computerized numerical model shown in FIG. 8 was prepared and used. A vapor phase feed solution containing 18 wt% of water dissolved in IPA at a pressure of 0.1 bar (gauge pressure) and a temperature of 95 ° C. was introduced into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of 2.8 m 2. It was supplied at a rate of kg / hr, the inner surface of the hollow fiber was coated with a selective layer of the same type as used in the above-described embodiment.
95℃ 및 기본적으로 대기압에 있으며 0.0007바아(절대압)의 수증기 부분압을 갖는 질소의 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 516 L(STP)/min로 흐르도록 하였다.A sweep flow of nitrogen at 95 ° C. and essentially atmospheric pressure and having a steam partial pressure of 0.0007 bar (absolute pressure) is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, thereby substantially reducing the flow of feed liquid. It was made to flow at 516 L (STP) / min in the countercurrent flow.
이들 조건 하에서, 상기 모듈을 벗어나는 투과액은 0.047바아(절대압)의 계산된 수증기 부분압을 갖는다. 이 유동을 압축기로 공급하여, 압력을 6.9바아(게이지압)로 증가시켰다. 결과적인 고압의 유동을 0℃의 온도에서 동작하는 응축기로 보내어, 여기서 수증기를 응축하였다. 상기 응축기를 벗어나는 비응축성 유동을 스로틀 밸브를 사용하여 대기압으로 감소시켰다. 결과적인 대기압의 유동은 0.0005바아(절대압)의 수증기 부분압을 갖는 것으로 추정된다. 그후, 상기 유동을 95℃로 가열하여, 역류 스윕유동으로서 상기 모듈 내부로 도입하였다.Under these conditions, the permeate leaving the module has a calculated water vapor partial pressure of 0.047 bar (absolute pressure). This flow was fed to the compressor to increase the pressure to 6.9 bar (gauge pressure). The resulting high pressure flow was sent to a condenser operating at a temperature of 0 ° C. where the water vapor was condensed. Non-condensable flow out of the condenser was reduced to atmospheric pressure using a throttle valve. The resulting atmospheric flow is estimated to have a partial pressure of water vapor of 0.0005 bar (absolute pressure). The flow was then heated to 95 ° C. and introduced into the module as countercurrent sweep flow.
이러한 작동 조건 하에서, 잔류액 유동은 0.05wt%의 계산된 수분 농도를 갖는데, 이는 0.00014바아(절대압)의 수증기 부분압에 해당한다. 따라서, 상기 모듈은 99.7%의 계산된 수분 제거율을 지니며, 잔류액 유동 내부의 수증기 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수증기 부분압의 비율은 0.36인 것으로 계산되었다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a calculated water concentration of 0.05 wt%, corresponding to a steam partial pressure of 0.00014 bar (absolute pressure). Thus, the module has a calculated water removal rate of 99.7% and the ratio of the steam partial pressure inside the sweep flow to the steam partial pressure inside the residue flow was calculated to be 0.36.
[실시예 10]Example 10
다양한 파라미터를 이용하여 시스템의 성능을 예측하기 위해, 도 7에 도시된 컴퓨터화된 수치 모델의 시스템을 준비하여 사용하였다. 상기 실시예 9에서와 동일한 공급액 용액을 동일한 방식으로 동일한 가상적인 중공형 화이버 멤브레인 모듈로 동일한 속도로 공급하였으며, 실시예 9와 동일한 스윕유동을 사용하여, 0.047바아(절대압)의 계산된 수증기 부분압을 갖고 모듈을 벗어나는 투과액을 생성하였다. 이 유동을 압축기로 공급하여, 압력을 6.9바아(게이지압)로 증가시켰다. 결과적인 고압의 유동은 74℃의 [6.9바아(게이지압)에서] 이슬점을 갖는 것으로 계산되었다. 그후, 이 유동을 멤브레인 가스건조 모듈로 향하게 하여, 가스의 이슬점을 [6.9바아(게이지압)에서] 0℃로 감소시켰다. 그후, 이 유동의 압력을 스로틀 밸브를 사용하여 대기압으로 감소시켰으며, 103L (STP)/min의 유속으로 가스 실린더로부터의 보충 질소를 이 유동과 혼합하였다. 그후, 0.0005바아(절대압)의 계산된 수증기 부분압을 갖는 상기 혼합된 유동을 95℃로 가열하고, 스윕 유동으로서 상기 모듈 내부로 도입하였다.In order to predict the performance of the system using various parameters, the system of the computerized numerical model shown in FIG. 7 was prepared and used. The same feed solution as in Example 9 was fed at the same rate to the same virtual hollow fiber membrane module in the same manner, and using the same sweep flow as Example 9, a calculated water vapor partial pressure of 0.047 bar (absolute pressure) was obtained. And permeate leaving the module. This flow was fed to the compressor to increase the pressure to 6.9 bar (gauge pressure). The resulting high pressure flow was calculated to have a dew point [at 6.9 bar (gauge pressure)] of 74 ° C. This flow was then directed to the membrane gas drying module to reduce the dew point of the gas to 0 ° C. [at 6.9 bar (gauge pressure)]. The pressure of this flow was then reduced to atmospheric pressure using a throttle valve, and supplemental nitrogen from the gas cylinder was mixed with this flow at a flow rate of 103 L (STP) / min. Thereafter, the mixed flow with a calculated water vapor partial pressure of 0.0005 bar (absolute pressure) was heated to 95 ° C. and introduced into the module as a sweep flow.
이러한 작동 조건 하에서, 잔류액 유동은 0.05wt%의 계산된 수분 농도를 갖는데, 이는 0.00014바아(절대압)의 수증기 부분압에 해당한다. 따라서, 상기 모듈은 99.7%의 계산된 수분 제거율을 지니며, 잔류액 유동 내부의 수증기 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수증기 부분압의 비율은 0.36이었다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a calculated water concentration of 0.05 wt%, corresponding to a steam partial pressure of 0.00014 bar (absolute pressure). Thus, the module had a calculated water removal rate of 99.7% and the ratio of the steam partial pressure inside the sweep flow to the steam partial pressure inside the residual liquid flow was 0.36.
[실시예 11]Example 11
다양한 파라미터를 이용하여 시스템의 성능을 예측하기 위해, 도 9에 도시된 컴퓨터화된 수치 모델의 시스템을 준비하여 사용하였다. 상기 실시예 9에서와 동일한 증기상 공급액 용액을 동일한 방식으로 동일한 모듈에 동일한 속도로 동일한 스윕 유동을 사용하여 공급하여, 0.047바아(절대압)의 계산된 수증기 부분압을 갖고 모듈을 벗어나는 투과액을 생성하였다. 이 유동을 압축기로 공급하여, 압력을 6.9바아(게이지압)로 증가시켰다. 결과적인 고압의 유동을 건조제 베드로 보내어, 수분을 0℃의 압력 이슬점으로 제거하였다. 그후, 상기 건조제에 의해 건조된 질소의 압력을 스로틀 밸브를 사용하여 대기압으로 감소시켰다. 결과적인 대기압 유동은 0.0005바아(절대압)의 계산된 수증기 부분압을 갖는다. 그후, 상기 유동을 95℃로 가열하고, 스윕 유동으로서 상기 모듈 내부로 도입하였다.In order to predict the performance of the system using various parameters, the system of the computerized numerical model shown in FIG. 9 was prepared and used. The same vapor phase feed solution as in Example 9 above was fed in the same manner to the same module using the same sweep flow at the same rate to produce a permeate leaving the module with a calculated water vapor partial pressure of 0.047 bar (absolute pressure). . This flow was fed to the compressor to increase the pressure to 6.9 bar (gauge pressure). The resulting high pressure flow was sent to the desiccant bed to remove moisture at a pressure dew point of 0 ° C. Thereafter, the pressure of nitrogen dried by the desiccant was reduced to atmospheric pressure using a throttle valve. The resulting atmospheric flow has a calculated steam partial pressure of 0.0005 bar (absolute pressure). The flow was then heated to 95 ° C. and introduced into the module as a sweep flow.
이러한 작동 조건 하에서, 잔류액 유동은 0.05wt%의 계산된 수분 농도를 갖는데, 이는 0.00014바아(절대압)의 수증기 부분압에 해당한다. 따라서, 상기 모듈은 99.7%의 계산된 수분 제거율을 지니며, 잔류액 유동 내부의 수증기 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수증기 부분압의 비율은 0.36이었다.Under these operating conditions, the residual liquid flow has a calculated water concentration of 0.05 wt%, corresponding to a steam partial pressure of 0.00014 bar (absolute pressure). Thus, the module had a calculated water removal rate of 99.7% and the ratio of the steam partial pressure inside the sweep flow to the steam partial pressure inside the residual liquid flow was 0.36.
[실시예 12 내지 실시예 17][Examples 12 to 17]
다양한 파라미터를 이용하여 시스템의 성능을 예측하기 위해, 도 10에 도시된 컴퓨터화된 수치 모델의 시스템을 준비하여 사용하였다. 0.1비이(게이지)의 압력 및 95℃의 압력에서 IPA에 용해된 10wt%의 수분을 함유하는 증기상 공급액 용액을 2.8㎡의 유효 멤브레인 면적을 갖는 모듈 내부의 중공형 화이버 멤브레인의 관 내부로 공급하였으며, 상기 중공형 화이버의 내면은 전술한 실시예에서 사용된 것과 동일한 형태의 선택층으로 코팅하였다. 이 공급액 유동의 유속을 하기 표 1에 나타내고 이하 서술하는 것과 같이 변화시켰다.In order to predict the performance of the system using various parameters, the system of the computerized numerical model shown in FIG. 10 was prepared and used. A vapor phase feed solution containing 10 wt% of water dissolved in IPA at a pressure of 0.1 g (gauge) and a pressure of 95 ° C. was fed into the tube of the hollow fiber membrane inside the module with an effective membrane area of 2.8 m 2. The inner surface of the hollow fiber was coated with a selective layer of the same type as used in the above-described embodiment. The flow velocity of this feed liquid flow was changed as shown in Table 1 below and described below.
95℃ 및 0.2바아(절대압)의 압력에서, 하기 표 1에 나타낸 다양한 수증기 부분압을 갖는 질소의 스윕 유동을, 상기 모듈의 잔류액 말단 근처에 위치한 입구 포트에서 멤브레인의 투과액측으로 도입하여, 공급액의 유동에 대해 실질적으로 역류로 57 L(STP)/min로 흐르도록 하였다.At a pressure of 95 ° C. and 0.2 bar (absolute pressure), a sweep flow of nitrogen having various water vapor partial pressures shown in Table 1 is introduced into the permeate side of the membrane at an inlet port located near the end of the residual liquid of the module, The flow was allowed to flow at 57 L (STP) / min substantially countercurrent to the flow.
증기상 공급액의 유속을 하기 표 1에 나타낸 것과 같이 변화시킨 결과, 특정한 작동 조건 하에서, 상기 잔류액 유동은 0.0039바아(절대압)의 수분 부분압을 가졌는데, 이는 0.1wt% 수분의 잔류액 유동 수분농도에 해당하고, 99%의 수분 제거율에 해당한다. 하기 표 1의 결과는, 잔류액 유동에서의 수분 부분압에 대한 스윕 유동 내부의 수분 부분압의 비율이 약 0.9보다 큰 경우에는, 희망하는 잔류액 수분 농도를 얻기 위해서는 상기 모듈로의 공급액 유속이 매우 낮아져, 높은 비용의 비효율적인 시스템을 낳게 된다는 것을 나타낸다. 희망하는 잔류액 수분 농도를 얻기 위해서는 상기 모듈로의 공급액 유속이 매우 낮은 이유는, 상기 비율이 0.9보다 크게 되면, 상기 멤브레인에 걸친 수증기의 이송에 대한 부분압의 구동력 또한 매우 낮아지기 때문이다. 따라서, 일정한 잔류액 수분농도를 얻기 위해서는, 상기 모듈에 대한 공급액의 유속을 수분이 공급액으로부터 제어되는데 충분한 시간을 허용하도록 감소시켜야 한다. 0.9의 비율이 높은 비용의 비효율적인 시스템을 낳게 되는 이유는, 상기 비율이 0.9보다 크게 되면, 상기 모듈에 대한 공급액의 유속이 상기 비율이 0.9보다 작은 경우에 비해 낮아지기 때문이다. 결과적으로, 일정한 용적의 공급액을 처리하기 위해서는, 더욱 큰 멤브레인 면적이 요구되어 덜 효율적이고, 더욱 큰 멤브레인 표면적에 대한 요구는 더 높은 멤브레인 비용을 유발하고, 궁극적으로 더 높은 비용의 시스템을 낳게 된다.As a result of varying the flow rate of the vapor phase feed as shown in Table 1 below, under certain operating conditions, the residual liquid flow had a water partial pressure of 0.0039 bar (absolute pressure), which was 0.1 wt% of residual liquid flow water concentration. Corresponds to the water removal rate of 99%. The results in Table 1 below show that when the ratio of the partial pressure of water inside the sweep flow to the partial pressure of water in the residual liquid flow is greater than about 0.9, the feed liquid flow rate to the module becomes very low to obtain the desired residual liquid concentration. This results in a high cost and inefficient system. The reason why the feed liquid flow rate to the module is very low in order to obtain the desired residual liquid concentration is that when the ratio is greater than 0.9, the driving force of the partial pressure for the transfer of water vapor over the membrane is also very low. Thus, to obtain a constant residual liquid concentration, the flow rate of the feed liquid to the module must be reduced to allow sufficient time for moisture to be controlled from the feed liquid. The ratio of 0.9 leads to a high cost inefficient system because if the ratio is greater than 0.9, the flow rate of the feed to the module will be lower than if the ratio is less than 0.9. As a result, in order to process a constant volume of feed, a larger membrane area is required, which is less efficient, and the demand for larger membrane surface areas leads to higher membrane costs and ultimately to higher cost systems.
이상 설명한 본 발명에 따르면, 증기의 혼합물을 함유한 공급 유동으로부터 제 1 증기를 낮은 비용 및 고효율로 선택적으로 제거할 수 있다.According to the invention described above, it is possible to selectively remove the first steam at low cost and high efficiency from a feed flow containing a mixture of steam.
상기한 명세서에서 채용된 용어 및 표현은 설명을 위한 용어로서 본 명세서에서 사용된 것으로 제한의 의미로 사용된 것은 아니며, 그러한 용어 및 표현을 사용함에 있어서, 상기에서 나타내거나 기술된 특징부 또는 그것의 일부에 대한 동등물을 배제하려는 의도는 아니며, 본 발명의 범주는 다만 첨부된 특허청구범위에 의해서 한정되고 이에 의해서만 제한되는 것으로 이해되어야 할 것이다.The terms and expressions employed in the above specification are terms used for descriptive purposes and are not used in the sense of limitation, and in using such terms and expressions, the features or the features described or described above It is not intended to be equivalent to some of the equivalents, and it is to be understood that the scope of the present invention is limited only by the appended claims and only by this.
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